燃料電池用高性能碳纖維紙發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)分析

李志強(qiáng)，王發(fā)陽(yáng)，李廣斌

（1.連云港市工業(yè)投資集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港 222000；2.連云港纖維新材料研究院有限公司，江蘇 連云港 222000）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)δ茉吹男枨罅看蟠笤黾印ｋm然煤炭、石油、天然氣和水能、核能仍然是全世界的主要能源，而化石能源作為不可生資源[1]，根據(jù)已探明儲(chǔ)量，世界煤炭資源可開(kāi)采年限為155年左右，天然氣為60年左右，石油為40年左右，并且化石能源使用所產(chǎn)生的氮氧化物、硫化物等對(duì)環(huán)境的污染非常嚴(yán)重。因此，清潔、高效的新能源是未來(lái)能源領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)趨勢(shì)。燃料電池是以氫、甲醇等為原料在電池電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)持續(xù)供電的裝置，因其具有高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換率、無(wú)污染、啟動(dòng)速度快、體積輕巧等優(yōu)良特性，主要被用于新能源汽車(chē)、水下推進(jìn)器、移動(dòng)電源等領(lǐng)域，受到了各國(guó)研究工作者的關(guān)注[2]。

作為燃料電池組成部分，氣體擴(kuò)散層所具有的作用主要包括傳遞反應(yīng)所需要的氣體、排出反應(yīng)產(chǎn)物水、傳輸電能，另外，氣體擴(kuò)散層還可用于支撐催化劑層[3]。目前用于制備燃料電池氣體擴(kuò)散層的材料主要包括碳纖維布、高性能碳纖維紙及碳纖維氈等[1]，而碳纖維紙因具有優(yōu)良導(dǎo)電性、孔隙率高、輕量化、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[4]，成為組成燃料電池氣體擴(kuò)散層的優(yōu)選。

1 國(guó)內(nèi)外碳纖維紙的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外機(jī)構(gòu)對(duì)于碳纖維紙的研究起步較早，工藝較成熟，性能較好。目前，可以批量生產(chǎn)且能滿(mǎn)足燃料電池氣體擴(kuò)散層要求的高性能碳纖維紙生產(chǎn)企業(yè)主要包括日本東麗公司、德國(guó)SGL公司以及加拿大BallardMaterial Products公司等[5]。為解決能源危機(jī)，開(kāi)發(fā)新能源，我國(guó)對(duì)于燃料電池的發(fā)展越來(lái)越重視。

與國(guó)外相比，我國(guó)在碳纖維紙領(lǐng)域的研究較為落后，雖然在“八五”期間，我國(guó)就有過(guò)碳纖維紙的研究，但僅限于實(shí)驗(yàn)室階段，且產(chǎn)品性能無(wú)法達(dá)到相關(guān)要求[6]。目前，我國(guó)尚未實(shí)現(xiàn)高性能碳纖維紙產(chǎn)業(yè)化，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)燃料電池所用氣體擴(kuò)散層材料大多來(lái)源于日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維紙。由于碳纖維復(fù)合材料被各國(guó)列為戰(zhàn)略性資源，技術(shù)封鎖較為嚴(yán)格，且價(jià)格高昂，如日本東麗高性能碳纖維紙目前市場(chǎng)上的價(jià)格約為500美元/m2，且國(guó)外對(duì)我國(guó)的碳紙出口控制非常嚴(yán)格，不僅出售價(jià)格高而且購(gòu)買(mǎi)較困難，進(jìn)口量根本無(wú)法滿(mǎn)足我國(guó)需求。因此，研究開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能碳纖維紙材料對(duì)于打破國(guó)外壟斷具有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。

2 高性能碳纖維紙的制備工藝

高性能碳纖維紙的制備工藝主要包括濕法工藝和干法工藝。濕法成型制備高性能碳纖維紙是以水為介質(zhì)，以碳纖維為主要原料通過(guò)斜網(wǎng)成型制備成碳纖維原紙，并經(jīng)樹(shù)脂浸漬，高溫?zé)釅杭疤炕裙に囍苽涠蒣7]。經(jīng)濕法成型工藝加工的碳纖維紙具有良好的均勻性和致密的結(jié)構(gòu)，適合加工成燃料電池用氣體擴(kuò)散層材料，是國(guó)外燃料電池用高性能碳纖維紙普遍采用的生產(chǎn)方式。干法成型是近年來(lái)發(fā)展較快的成型工藝，該工藝是以空氣為介質(zhì)，采用氣流成網(wǎng)工藝加工成原紙，并經(jīng)涂膠、干燥、碳化等后道工藝加工制備而成[8]。該工藝制備的碳纖維紙?zhí)祭w維含量較高，產(chǎn)品強(qiáng)度較高，由于干法工藝所采用纖維較長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)品勻度較差[3]。

3 燃料電池用高性能碳纖維紙的市場(chǎng)前景

3.1 國(guó)內(nèi)外燃料電池汽車(chē)發(fā)展趨勢(shì)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2013年燃料電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化至2017年年底，全球共售出6 475輛燃料電池汽車(chē)，其中2013—2016年全球共售出氫燃料電池汽車(chē)3 000輛，2017年3 475輛。2017年燃料電池商務(wù)專(zhuān)車(chē)的銷(xiāo)售量為1 500輛，僅中國(guó)就占了1 272輛，占比達(dá)85%，而2016年該產(chǎn)量?jī)H為629輛。另外據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年1—5月，國(guó)內(nèi)共產(chǎn)出氫燃料電池客車(chē)173輛，僅5月就達(dá)116輛，2016年同期產(chǎn)量?jī)H為10輛，可見(jiàn)氫燃料電池發(fā)展之迅速。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展氫燃料電池汽車(chē)試點(diǎn)運(yùn)營(yíng)的項(xiàng)目，幾乎都集中在商用車(chē)領(lǐng)域，例如上汽大通的輕客FCV80，已經(jīng)在佛山、上海和大連撫順展開(kāi)固定路線(xiàn)載客運(yùn)營(yíng)。預(yù)計(jì)到2018年，燃料汽車(chē)產(chǎn)出規(guī)模將在3 000～5 000輛。根據(jù)《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書(shū)（2016）》發(fā)展規(guī)劃，到2020年，我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)量將達(dá)10 000輛，氫能軌道交通車(chē)輛達(dá)到50列；到2030年，燃料電池車(chē)輛保有量達(dá)到200萬(wàn)輛；到2050年，燃料電池車(chē)輛保有量達(dá)到1 000萬(wàn)輛。另外，《中國(guó)制造2025》明確提出燃料電池汽車(chē)發(fā)展規(guī)劃，將發(fā)展氫燃料電池的發(fā)展提升到了戰(zhàn)略高度。燃料電池汽車(chē)在中國(guó)具有非常大的發(fā)展前景和市場(chǎng)空間。

3.2 國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)展趨勢(shì)

燃料是電池汽車(chē)的核心部件之一，燃料電池高昂的成本一直是制約國(guó)內(nèi)外燃料電池汽車(chē)發(fā)展的重要因素。據(jù)估計(jì)，一套燃料電池系統(tǒng)的成本約占整車(chē)成本的60%，因此，開(kāi)發(fā)燃料電池降低生產(chǎn)成本是新能源領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展方向之一。我國(guó)燃料電池發(fā)展迅速，2018年5月8日，愛(ài)德曼計(jì)劃投資30億元開(kāi)發(fā)年產(chǎn)8萬(wàn)臺(tái)燃料電池項(xiàng)目落戶(hù)南海，達(dá)產(chǎn)后預(yù)計(jì)產(chǎn)值達(dá)200億元。而佛山（云?。┊a(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移工業(yè)園正大力引進(jìn)企業(yè)，構(gòu)建氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)體系，截止到2018年4月，已成功引進(jìn)氫能核心企業(yè)16家，投資總額超50億元。2018年8月29日，濰柴動(dòng)力宣布將投資1.63億美元認(rèn)購(gòu)全球氫燃料電池領(lǐng)軍企業(yè)加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)有限公司19.9%的股份，并成為巴拉德第一大股東，在山東成立合資公司研發(fā)制造氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)品。

3.3 我國(guó)加氫站發(fā)展現(xiàn)狀

燃料電池汽車(chē)作為發(fā)展方向，受到越來(lái)越多的重視。除技術(shù)、使用壽命、成本等因素外，氫源的供給是影響燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化推廣的另一重要因素。目前，氫燃料電池汽車(chē)采用的是車(chē)載純氫裝置，與燃油汽車(chē)一樣需要?dú)淙剂系墓?yīng)，一般燃料汽車(chē)的里程為（300～500）km，必須有加氫站供氫來(lái)定點(diǎn)補(bǔ)充能源，加氫站的建設(shè)就成了推廣燃料電池汽車(chē)的關(guān)鍵之一。截至2017年年底，全球在營(yíng)加氫站數(shù)量為328座，主要分布在日本等國(guó)家，而中國(guó)共有加氫站9座，運(yùn)營(yíng)中6座，嚴(yán)重制約了我國(guó)燃料電池汽車(chē)的發(fā)展。為發(fā)展我國(guó)新能源市場(chǎng)，國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)規(guī)劃及政策，2016年國(guó)家工業(yè)和信息化部在《節(jié)能與新能源汽車(chē)路線(xiàn)》中規(guī)劃，到2020年，將建成加氫站100座；2025年，建成配套350座加氫站；2030年，加氫站規(guī)模有望達(dá)到1 000座。

3.4 國(guó)家對(duì)于新能源汽車(chē)政策

《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，要系統(tǒng)推進(jìn)燃料電池汽車(chē)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，到2020年，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車(chē)批量生產(chǎn)和規(guī)?；痉稇?yīng)用。除此之外，國(guó)家對(duì)于新能源汽車(chē)的補(bǔ)貼力度也非常大，例如上汽大通FC V80型號(hào)商務(wù)新能源輕客，該車(chē)官方指導(dǎo)價(jià)格為130萬(wàn)元，其中，政府最高補(bǔ)貼金額可達(dá)100萬(wàn)元，實(shí)際的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格為30萬(wàn)元左右，國(guó)家對(duì)于燃料電池能源汽車(chē)推廣的扶持力度可見(jiàn)一斑。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)前景廣闊，市場(chǎng)空間巨大，而高性能碳纖維紙因具有優(yōu)良的特性成為制備燃料電池氣體擴(kuò)散層材料的首選，因此，未來(lái)對(duì)于高性能碳纖維紙的需求量非常大，具有非常好的經(jīng)濟(jì)效益。由于目前燃料電池所用氣體擴(kuò)散層碳纖維紙幾乎全部來(lái)自國(guó)外，無(wú)論是從成本還是數(shù)量上都遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需求，嚴(yán)重制約了我國(guó)新能源技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)大力開(kāi)發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán)的高性能碳纖維紙標(biāo)準(zhǔn)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，對(duì)于降低燃料汽車(chē)生產(chǎn)成本、打破國(guó)外壟斷、提高我國(guó)在高新技術(shù)領(lǐng)域的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有非常重要的意義。